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遗传密码子再添新成员:人工合成DNA加入P-Z

合成生物学的魅力:设计新事物

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合成不是一个领域,而是一种研究策略,这种策略能够应用于任何技术允许的领域,使科学家设计新事物。这种技术已经被长期应用于化学领域,相对于那些合成较少的领域比如行星科学和生物学,技术应用促进了相关领域的快速发展。


20世纪70年代生物学研究发生了变化,生物技术开始用于递送人工合成的工具。开始的时候,生物科学家剪切并拼接单一的基因,然后在20世纪80年代早期,合成生物学家开始合成整个基因,这是人工合成的遗传系统并带有额外的核苷酸和蛋白质,这些蛋白质由超过20种以上的氨基酸组成。


众所周知,DNA由四种核苷酸构成,这四种核苷酸以字母G、C、A和T指代。近日,美国印第安纳大学和应用分子进化基金会等机构科学家证明,他们造出的两种人造DNA“字母”Z和P,这两种新合成的核苷酸能无缝的整合到DNA的螺旋结构中,能像天然DNA那样组合连接在一起,将来有望把这两个新成员纳入到活细胞中。


美国应用分子进化基金会、有机化学家Steven Benner(斯蒂芬·本纳)的团队花了几十年时间研究合成人工DNA和人工增强的DNA。


Steven Benner说:“从根本上说,我们一直在自下而上地重新发明‘遗传字母表’。” 从新药开发到人造生命,这些人造DNA在应用方面很有前景。


早在2006年,本纳和同事就造出了两个碱基,称为Z和P,具有标准的“匹配端”(沃森—克里克结构),能通过氢键重组连接在一起形成碱基对ZP,就像天然碱基对AT和GC那样。此后不久,美国斯克里普斯研究所弗洛伊德·罗姆斯伯格领导的研究小组又造出了另外两个碱基,并证明了它们能像天然DNA那样自我复制,但他们的碱基对连接方式与天然DNA不同。


论文第一作者、印第安纳大学的米莉·乔治亚蒂斯说:“我们知道,正常的天然DNA可以形成相同的碱基组合,如AAAA或TTTT。”因为连接方式问题,罗姆斯伯格小组造出的两个碱基不能形成这种长组合。


在新研究中,乔治亚蒂斯和Benner证明了他们的Z和P能形成这种组合,就像天然DNA那样。经过X射线晶体检测,他们发现这两个碱基能自我结合,形成包含天然和非天然核苷酸的DNA链,其中ZP连接能达到6个碱基长度。他们还证明,含有ZP碱基对的DNA链具有细胞内正常DNA链的两种形式:熟悉的螺旋结构(A型)和更广泛的蛋白质结合DNA(B型)。


“DNA与不同的蛋白质结合时,通常采取不同的形式。Z和P能形成这些形式,表明含有这些碱基的DNA链在细胞中的表现就像天然DNA一样。”乔治亚蒂斯说,研究的最终目标是“创造出新东西”。


对此罗姆斯伯格也表示,这项研究令人印象深刻。Z-P对“能像一对G-C或一对A-T那样发挥作用”。


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